淮南某矿井降温工程制冷机组冷凝热利用研究

柏琳

（煤炭工业合肥设计研究院安徽合肥230041）

淮南某矿井降温工程制冷机组冷凝热利用研究

柏琳

（煤炭工业合肥设计研究院安徽合肥230041）

对淮南某煤矿矿井降温工程制冷机组的冷凝热回收利用进行研究，给出了可回收利用的规模及利用方式，对冷凝热回收利用的节能效果进行了定量计算。

矿井降温；冷凝热；回收利用；节能

引言

安徽省两淮矿区是国家煤炭工业发展“十二五”规划重点建设的14个大型煤炭基地之一。由于紧邻华东能源消费中心，该区内煤矿开采强度大，开采历史长，部分煤矿采深已接近千米左右，地热灾害严重。为了降低热害的影响，实现安全生产，部分煤矿已建设了降温工程，利用制冷机组制取冷水送入井下经空冷器为矿井掘进头和采煤工作面降温。矿井降温制冷规模较大，普遍的规模在12～18MW之间，部分矿井甚至达到21MW。

1　矿井降温工程概况

淮南某矿井设计生产能力400万t/年，一水平标高为-962m，开采水平深、地温高、机电设备散热量大，热害程度严重。为满足矿井正常生产时的降温要求，矿井配套建设了18MW制冷规模的降温工程，分两期建设，前期建设12MW。

制冷系统设计供回水温度为2.5℃/18℃，设计由溴化锂吸收式冷水机组+离心式冷水机组或者离心式冷水机组+离心式冷水机组串联的两级制冷装置实现。

12MW制冷规模由三个制冷单元组成，互为备用。第一制冷单元由蒸汽溴化锂冷水机组（额定制冷量5035kW）+离心式冷水机组（额定制冷量2517kW）组成。第二制冷单元由离心式冷水机组（额定制冷量4260kW）+离心式冷水机组（额定制冷量2517kW）组成。

降温系统全年运行，两个制冷单元运行负荷均为6000kW，矿井投产前期夏季总制冷量为12000kW，冬季制冷量为2517W。

2　冷凝热利用量分析

常规制冷系统主要由制冷剂循环、冷却水循环、冷冻水循环组成。

对于吸收式制冷机，气态的制冷剂在吸收器内被吸收剂吸收后，经溶液泵送入发生器，在发生器中吸收剂被加热分离出制冷剂蒸气，高压的气态制冷剂进入冷凝器中被冷却水冷却，变成高压液体；通过节流阀，压力降低，高压制冷剂变成低压液体；其后制冷剂在蒸发器内定压（低压）下吸收大量蒸发器里冷冻水的热量，蒸发变成低压的气态制冷剂；气态制冷剂再至吸收器中被吸收剂吸收，完成循环。

对于压缩式制冷机，气态的制冷剂在压缩机内被压缩，温度升高、压力增大；通过排气管，高压的气态制冷剂进入冷凝器中被冷却水冷却，变成高压液体；通过节流阀，压力降低，高压制冷剂变成低压液体；其后制冷剂在蒸发器内定压（低压）下吸收大量蒸发器里冷冻水的热量，蒸发变成低压的气态制冷剂；气态制冷剂通过吸气管路再回到压缩机内，完成循环。

在冷却水循环中，冷却水在冷凝器中吸收了高温高压制冷剂释放的冷凝热后，由泵送到冷却塔的上部喷下，与逆流（上升）的空气进行热湿交换，向大气环境排放大量的冷凝热，通常冷凝热可达制冷量的1.15～1.3倍。

根据该矿井降温工程制冷机组的制冷量，其可利用的冷凝热统计见表1。由表可见，矿井投产前期，夏季降温需运行第一和第二制冷单元，井下降温系统的冷凝热为19664kW，冬季运行一台二级电制冷，冷凝热为3039kW。

表1　制冷机组冷凝热统计表（单位：kW）

注：吸收式溴化锂制冷机组消耗0.4MPa的蒸汽5.39t/h，凝结水温度90℃。

3　矿井热负荷

该矿井用热负荷包括工业广场地面生产、辅助及生活福利建筑物的采暖，井筒防冻及浴室、洗衣房供热等，总计热负荷达到15MW左右，其中浴室洗浴热负荷2450kW。

采暖热媒为110～70℃的高温水。井筒防冻、浴室及洗衣房供热热媒为0.4MPa的饱和蒸汽。该矿目前共设有3台SZL10-1.25-AⅡ型蒸汽锅炉，冬季3台运行，夏季1台蒸汽锅炉运行。建筑物采暖用110℃的热水由1套MEJQN-7MW模块换热机组供给。矿井工广室外供热管网分采暖、井筒防冻供热以及浴室、洗衣房与食堂供热4个独立系统，呈树枝状布置。井筒防冻和浴室、洗衣房供热分别采用专管供给，其井筒防冻供热的凝结水自流至锅炉房凝结水箱。

4　利用冷凝热供热方案研究和实施

目前制冷机组冷凝热回收的可行方式主要有以下两种：①排气热回收，以压缩机出口高温气态冷媒作为热源；②冷却水热回收，以出冷凝器的冷却水作为热源。

排气热回收在压缩机和冷凝器之间加一个热回收器（热回收冷凝器），从压缩机出口的58～90℃的高温气态冷媒被生活用水直接冷却，而热回收器出口的制冷剂的状态是气液混合物或者气态，剩余废热仍进入制冷机的冷凝器由冷却水吸收并经冷却塔排放。该技术可根据要求直接回收制冷机组的蒸汽显热或显热加部分潜热来加热生活用水到指定温度。

冷却水热回收在原有的冷却水管路中增加一路分支，并把该分支接入热泵系统的蒸发器，以利用热泵产生温度较高的热水。由于制冷机组的冷却水出水温度较低，一般在30～40℃左右，供回水温差4～7℃，属于低品位热能，想要充分回收冷凝热必须利用高温水源热泵技术。

相比排气热回收技术，冷却水热回收技术无需对制冷机组内部结构进行改造，只改动其冷却水系统，对工程项目的适应性较强，且对冷凝热回收比例调节较为灵活，必要时可回收100%的冷凝热。因此在工程实施中，该矿井制冷机组冷凝热的利用采用冷却水热回收技术。

该矿井井下降温冷负荷随季节变化较大，冬季负荷小，冷凝热少，无法同时满足洗浴用水和民用建筑采暖负荷。洗浴用水对水温要求较低，热泵机组出水温度低有利于提高机组的能效比，节能效果好。因此从供热可靠性方面考虑，该矿井冷凝热利用仅考虑四季利用冷凝热供浴室洗浴用热水。

在该矿井的冷凝热回收供热方案中，采用2台制热量为1315kW的水源热泵机组。热源侧利用井下降温制冷机组18～ 38℃的冷凝器出水。在机房内设2台150m3的不锈钢保温热水箱和3台热水循环泵（2用1备）。热水在热水箱与水源热泵机组之间循环，直至水箱内水温度达到45℃，再启动热水输送泵将热水箱内热水送至浴室。

5　节能效果分析

按照洗浴热负荷2450kW计算，一个班次持续加热5h，总计耗热量为44100000kJ。这部分热量若采用燃煤蒸汽锅炉提供，锅炉房效率取70%，标煤耗量约为2152kg。

利用回收的制冷机组冷凝热经水源热泵机组供热，仅热泵机组、循环水泵需要消耗电功率。冷凝热回收方案中，两台水源热泵机组制热量1315kW，输入功率238kW，两台热水循环泵电机功率18.5kW，一台热水输送泵电机功率45kW，总电功率为558kW，设计运行5h满足供热要求，则消耗电能2790kWh。每度电按2013年中电联公布的全国供电标准煤321g/kWh计，共消耗标煤896kg，与燃煤锅炉相比，每个班次可节约标准煤1256kg。

6　结语

制冷机组的广泛应用促进了生产、生活条件的改善。但是在获得冷量的同时，大量的冷凝热直接排入大气，白白散失掉，造成较大的能源浪费，这些热量的散发又使周围环境温度升高，造成严重的环境热污染。若将制冷机放出的冷凝热予以回收用来加热生活热水和生产工艺热水，不但可以减少冷凝热对环境造成的污染，而且还是一种变废为宝的节能方法。

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[3]朱德斌，胡益雄，唐伟伟.冷凝热回收热水系统的应用研究[J].建筑热能通风空调，2013，32（5）：50～52.

[3]于连涛，林宇清.冷凝热回收型制冷机组在住宅类建筑中的适用性研究[J].制冷与空调，2011，11（6）：82～85.

TD727

A

1673-0038（2015）14-0108-02

2015-3-18

柏琳（1980-），男，工程师，本科，主要从事热能动力设计工作。